UNITROL 5000勵磁調節器在600MW汽輪發電機組上的應用

杜永斌

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

ABB UNITROL 5000型勵磁調節器是ABB公司研制的微機勵磁調節器，由哈電機引進ABB勵磁技術進行散件組裝的該型號勵磁調節器在2004年左右在國內投運至今，運行情況良好，得到了國內用戶的廣泛認可。本文將結合該調節器在哈三電廠600MW汽輪發電機組對其進行介紹和具體分析。

2 系統原理

UNITROL 5000勵磁調節器是ABB公司的UNITROL系列的第五代產品，是在原UNITROL.F的基礎上而產生的新的勵磁調節系統。與以前的UNITROL.F相比，UNTROL 5000勵磁系統增加了一系列新的功能，像多橋并聯運行的可控硅整流橋智能均流、殘壓起勵等。

哈三電廠600MW汽輪發電機組采用機端自并勵靜止勵磁系統，此UNITROL 5000勵磁系統由兩套完全獨立的相同工控機通道構成兩通道混合冗余冗錯系統。每臺工控機都包含自動通道和手動通道（COB）。兩臺工控機為互為備用的運行方式。同時還設有獨立的手動通道（EGC）作為備用，工控機的自動、手動通道之間和工控機獨立手動通道之間能自動跟蹤且無擾動切換；手動通道還可以在做發電機空載、短路試驗時使用。

當發電機的勵磁電壓和電流不超過其額定勵磁電流和電壓的1.1倍時，該勵磁系統可以連續運行無異常。

該勵磁系統具有短時過載能力，大于發電機轉子繞組的短時過負荷能力；按80%極端電壓計算，勵磁系統強勵倍數大于2，勵磁系統強勵時間可大于10S。

該勵磁系統具備高起始響應特性，在0.1S內勵磁電壓增長值達到頂值電壓和額定電壓差值的95%。勵磁系統響應比（V/V）即電壓上升速度，大于3.58倍/S。

在空載額定電壓下，當電壓給定階躍響應為±10%時，發電機電壓超調量不大于階躍量的30%；振蕩次數不超過3次；發電機定子電壓的調整時間不超過5秒。

發電機零起升壓時，該調節器可控制定子電壓的超調量不超過額定值的10%，調節時間不大于10S，電壓振蕩次數不大于3次。該勵磁系統穩態增益保證發電機電壓靜差率達到±1%。

該勵磁調節器的調壓范圍，發電機空載時能在0～110%額定電壓范圍內穩定平滑調節。

在發電機空載運行狀態下，自動勵磁調節器調壓速度，不大于1%額定電壓/秒；不小于0.3%額定電壓/秒。

發電機轉子回路設有過電壓保護，其動作電壓的分散性不大于±10%，勵磁裝置的可控硅元件以及其他設備能承受直流側短路故障、發電機滑極、異步運行等工況而不損壞。

3 硬件結構

UNITROL5000勵磁調節器的核心是控制板（COB）。所有的調節、控制以及脈沖形成等功能均由（COB）實現。帶數字信號處理器（DSP）的測量單元板（MUB）用于實際值的快速測量。這兩塊板疊裝在同一個金屬箱內，形成一個獨立的調節通道。箱內還可安裝一塊結構上獨立的擴展門極控制板（EGC）作備用通道，用于勵磁電流調節。

快速輸入輸出接口板（FIO）和整流橋接口板（CIN）等接口裝置用于電氣隔離和信號轉換。

主回路信號接口板PSI用于實現電氣隔離，以及將磁場測量信號變換后送到測量單元板（MUB）。

采用五個整流橋整流輸出，利用n-2冗余結構，即當一個整流橋故障退出運行時，勵磁系統可以滿足包括強勵在內的所有發電機運行工況；當兩個整流橋故障退出運行時，勵磁系統可以滿足發電機在額定狀態連續運行。

整流橋接口板（CIN）是一個獨立的控制和調節部件，是整流柜的一個組成部分，與門極驅動板（GDI）、電流傳感器（CUS）和整流橋顯示單元（CDP）配合使用。其主要功能是向門極驅動板（GDI）發送用于觸發三相全控整流橋的脈沖列。

門極驅動板（GDI）用于將脈沖放大到晶閘管觸發所必需的水平。脈沖變壓器一般安裝在GDI板上。

電流傳感器（CUS）用于測量晶閘管整流橋的分支電流。其輸出直接送到整流器接口板(CIN)。

整流橋顯示器（CDP）安裝在柜門上，用于指示整流橋的運行狀況。

采用直流側滅磁，它包括安裝于整流橋直流側的HPB磁場斷路器、跨接器、滅磁電阻以及脈沖閉鎖回路等。

多功能手持屏（SPA）用于調試和維護。SPA具有就地操作、參數設定和應用程序編程功能。

就地控制面板（LCP）具有良好的人機界面，用于對勵磁系統進行就地操作和監視。LCP也可安裝于電站中控室內，用于遠方控制。

勵磁系統的內部通訊是通過ARCnet現場總線實現的

4 軟件功能

UNITROL 5000勵磁調節器的全部調節功能都是通過軟件來實現的，其模塊化的圖形語言，為操作者調試和故障排查提供了便利。其軟件功能除了基本的起勵、調節和滅磁外，還包括了一些輔助的功能，如各種限制保護功能、轉子溫度檢測、可控硅溫度檢測、可控硅導通檢測、功率柜自動故障退出和風機自動切換等。

該調節器具有雙自動通道，每個自動通道的COB主控板都含有一個自動電壓調節器（AVR）和勵磁電流調節器（FCR）。自動跟蹤功能用于實現自動電壓調節方式（AVR）和勵磁電流調節方式（FCR）間的平穩切換（見圖1）。切換可以是由PT斷相故障引起的自動切換或是人為切換。AVR控制電壓與FCR控制電壓間的差值被用作備用調節器的跟蹤控制。雙自動通道切換時通常是從運行通道的自動方式切換至備用通道的自動方式，任何一個通道都可以工作在運行方式或備用方式。在不能切換到備用通道自動方式時，才切換到手動方式。如果兩個通道都不能正常工作，勵磁系統將啟動跳閘命令。此時，備用通道的跟蹤信號為運行通道控制電壓和備用通道控制電壓的差值。

圖1 UNITROL 5000勵磁調節器通道切換示意圖

該調節器具有軟起勵功能，用于防止機端電壓的起勵超調。勵磁調節器接到開機令后即開始起勵升壓，當機端電壓大于10%額定值后，調節器以可設定的速度增加給定值，使機端電壓逐步上升到額定值。

該調節器的PID調節控制器的輸入是實際值對給定值的偏差。PID控制器的輸出電壓為門極控制單元的輸入信號。

該調節器的每個限制器都有其限制量和限制值，當限制量的數值達到限制值時，限制器動作。每個限制器均產生一個限制量與限制值之間的偏差信號。 其具體限制功能包括勵磁電流限制器、定子電流限制器、P/Q限制器、V/Hz限制器等。

該調節器的并聯整流橋采用智能均流設計，利用軟件動態電流分布功能，通過軟件可以補償每個可控硅回路性能的差異，使流過每個可控硅的電流基本相等，可保證整流橋的均流系數在90%以上。

該調節器采用CMT軟件調試和維護，利用CMT工具可以實現調節器的所有控制功能和參數的在線修改，同時可以自行選擇測量信號進行錄波，還可以自動存儲故障時的波形，方便故障時診斷和分析。

5 結語

哈電機組裝的UNITROL 5000勵磁調節器成功地在哈三電廠600MW汽輪發電機組上投入運行，其強大的功能和成熟的控制理論值得我們借鑒和吸收，以加強國內勵磁調節器的設計水平和國際競爭力。

[1]GB/T 7409.3-2007《大、中型同步發電機勵磁系統技術要求》